Grundlagen der Genetik und Molekularbiologie

Grundlagen der Genetik und Molekularbiologie PROF. TH. BÖRNER Humboldt-Universität zu Berlin SS 2000 Vorlesungsmitschrift c Till Biskup 1 12. Juli 2000 1 email: till.biskup@physik.hu-berlin.de Homepage: http://www.till-biskup.de

Vorbemerkungen Zusammenfassung aus der Genetik Vorlesung (BÖRNER, 2000) mit Ausarbeitungen aus HEN- NIG (1998) sowie Ergänzungen aus anderen Büchern (vgl. Literaturverzeichnis) Gliederung: im wesentlichen orientiert an der Gliederung der Vorlesung (BÖRNER, 2000) Wichtige Strukturmerkmale: Liste von Schlagwörtern zu Beginn jedes größeren Abschnittes hervorgehobene Definitionen im Text (im Index fett gedruckte Seitenzahl) soweit möglich Angabe der Originalarbeiten als Fußnote bei wichtigen Experimenten oder Entdeckungen i

ii

Inhaltsverzeichnis 1 Das genetische Material 1 1.1 Aufbau des genetischen Materials (DNA, RNA).................... 1 1.1.1 Kurze Repetition zur Struktur der Nukleinsäuren............... 1 1.1.2 Beweise für DNA als genetisches Material.................. 1 1.1.3 Prinzip der Basenpaarung........................... 1 1.1.4 Denaturierung, Renaturierung, Hybridisierung................ 1 1.1.5 Polymerasen, Nucleasen, Topoisomerasen................... 1 1.2 Verpackung und Lokalisierung des genetischen Materials............... 1 1.2.1 Arten primärer genetischer Informationsträger................ 1 1.2.2 Prokaryoten Chromosomen.......................... 1 1.2.3 Eukaryoten Chromosomen, Chromatin.................... 1 1.3 Replikation des genetischen Materials......................... 1 1.3.1 semikonservative Replikation......................... 2 1.3.1.1 Physikochemischer Nachweis der semikonservativen Replikation. 2 1.3.1.2 Cytologischer Nachweis der semikonservativen Replikation.... 2 1.3.2 Replikation bei Prokaryoten.......................... 3 1.3.2.1 Okazaki Cairns Modell....................... 3 1.3.2.2 Rolling Circle............................ 3 1.3.2.3 An der Replikation beteiligte Proteine............... 3 1.3.3 Replikation bei Eukaryoten........................... 3 1.3.3.1 allgemeiner Ablauf......................... 3 1.3.3.2 Replikation der Telomer DNA................... 3 1.3.3.3 An der Replikation beteiligte Proteine............... 3 2 Die Funktion des genetischen Materials 4 2.1 Transkription...................................... 4 2.1.1 prinzipieller Ablauf............................... 4 2.1.2 pro und eukaryotische RNA Polymerasen.................. 4 2.1.3 Promoter und Terminationssignale bei Pro und Eukaryoten........ 4 2.1.4 Produkte der Transkription, RNA processing, splicing, editing...... 4 2.1.5 Zentrales Dogma, Umkehrtranskription.................... 4 2.2 Genetischer Code.................................... 4 2.2.1 Methoden zur Aufklärung........................... 4 2.2.2 Eigenschaften des genetischen Codes..................... 4 2.3 Translation....................................... 4 2.3.1 beteiligte Komponenten............................ 4 2.3.2 prinzipieller Ablauf............................... 4 2.3.3 Aminoacetylierung der trna......................... 4 2.3.4 Wobble Paarung................................ 4 2.3.5 posttranslationale Veränderungen an Proteinen................ 4 2.3.6 Proteintransport................................. 4 2.3.6.1 Cotranslationaler Transport..................... 4 iii

iv INHALTSVERZEICHNIS 2.3.6.2 Posttranslationaler Transport.................... 5 3 Regulation der Realisierung der genetischen Information 6 3.1 Regulation bei Prokaryoten............................... 6 3.1.1 Operonmodell................................. 6 3.1.2 Regulon..................................... 6 3.1.3 Attenuation................................... 6 3.1.4 Signaltransduktion: Zwei Komponenten Systeme.............. 6 3.2 Regulation bei Eukaryoten............................... 6 3.2.1 transkriptionsaktives und inaktives Chromatin................ 7 3.2.2 Signaltransduktion: Agonisten, Rezeptoren, sek. Messenger, Hormonwirkung 7 3.2.3 Transkriptionsfaktoren, Protein DNA Interaktion.............. 7 3.2.4 posttranslationale Regulation.......................... 7 3.2.5 Differenzierung von Zellen und Geweben................... 7 4 Vom Gen zum Merkmal 8 4.1 Struktur von Genen................................... 8 4.1.1 Entwicklung des Genbegriffs.......................... 8 4.1.2 Gene bei Pro und Eukaryoten......................... 8 4.2 Wechselwirkungssysteme bei der Merkmalsbildung.................. 8 4.2.1 Was sind Merkmale? Genotyp, Phänotyp................... 8 4.2.2 Allele eines Gens................................ 8 4.2.3 Genwechselwirkung (Polygenie, Pleiotropie)................. 8 4.2.4 Genotyp Plasmotyp............................. 8 4.2.5 Idiotyp Umwelt............................... 8 5 Variation des genetischen Materials: Mutationen 9 5.1 Genmutationen..................................... 9 5.1.1 Punktmutationen................................ 9 5.1.2 spontane und induzierte Mutationen, Mutagene (Mutagenwirkung)...... 9 5.1.3 Rückmutation und Suppression........................ 9 5.2 Reparatur von DNA Schäden.............................. 9 5.2.1 Photoreaktivierung............................... 9 5.2.2 Excisionsreparatur............................... 9 5.2.3 Postreplikationsreparatur Rekombinationsreparatur und beteiligte Gene bei E. coli.................................... 9 5.3 Chromosomenmutation................................. 9 5.3.1 Deletion, Duplikation, Inversion, Translokation................ 9 5.3.2 Beispiele, Bedeutung.............................. 9 5.3.3 Positionseffekte................................. 9 5.4 Genommutation..................................... 9 5.4.1 Euploidie, Polyploidie............................. 9 5.4.2 Aneuploidie................................... 10 5.4.3 Allo und Autoploidie............................. 10 6 Variation des genetischen Materials: Rekombination 11 6.1 Repetition Mitose Meiose.............................. 11 6.1.1 Zellzyklus.................................... 11 6.1.2 Mitose..................................... 11 6.1.3 Meiose..................................... 13 6.1.3.1 Meiose I............................... 13 6.1.3.2 Meiose II............................... 15 6.1.3.3 Zusammenfassung: Hauptereignisse der Meiose.......... 16

INHALTSVERZEICHNIS v 6.1.4 Meioseeffekte.................................. 16 6.2 Interchromosomale Rekombination, Mendelsche Gesetze............... 16 6.2.1 monohybrider Erbgang, dominant und intermediär.............. 16 6.2.2 dihybrider Erbgang............................... 16 6.2.3 trihybrider Erbgang und allgemeine Gesetzmäßigkeiten............ 16 6.2.4 Geltungsbereich der Mendelschen Gesetze.................. 16 6.2.5 Erbgang bei Haploiden............................. 16 6.2.6 Rückkreuzung................................. 16 6.2.7 Geschlechtsgebundene (X chromosomale) Vererbung............ 16 6.2.8 Chromosomentheorie der Vererbung...................... 16 6.3 Intrachromosomale Rekombination........................... 17 6.3.1 Crossing over, Chiasmata............................ 17 6.3.2 Faktorenkopplung, Faktorenaustausch..................... 17 6.3.3 Rekombinationshäufigkeit Chromosomenkarten.............. 17 6.3.4 Tetradenanalyse, Präreduktion, Postreduktion................. 17 6.3.5 Genkonversion................................. 17 6.4 Intragene Rekombination................................ 17 6.4.1 Genkarten.................................... 17 6.4.2 Allelietest, cis trans Test........................... 17 7 Variation des genetischen Materials: Rekombination in Verbindung mit parasexuellen Prozessen 18 7.1 Parasexuelle Prozesse bei Eukaryoten......................... 18 7.1.1 mitotisches crossing over............................ 18 7.1.2 Pilze...................................... 18 7.1.3 somatische Hybride............................... 18 7.2 Parasexuelle Prozesse bei Bakterien.......................... 18 7.2.1 Transformation................................. 18 7.2.2 Konjugation, Chromosomenkarten....................... 18 7.2.3 allgemeine und spezielle Transduktion..................... 18 7.2.4 homologe (allgemeine) Rekombination, ortsspezifische Rekombination... 18 8 Variation des genetischen Materials: Transponierbare Elemente 19 8.1 Bakterien: Insertionssequenzen, Transposons, Phage Mu............... 19 8.2 Transponierbare Elemente bei Eukaryoten....................... 19 9 Variation des genetischen Materials: Rekombinante DNA Gentechnik 20 Literaturverzeichnis 21 Index 23

vi INHALTSVERZEICHNIS

Kapitel 1 Das genetische Material 1.1 Aufbau des genetischen Materials (DNA, RNA) Schlagwörter 1.1.1 Kurze Repetition zur Struktur der Nukleinsäuren 1.1.2 Beweise für DNA als genetisches Material 1.1.3 Prinzip der Basenpaarung 1.1.4 Denaturierung, Renaturierung, Hybridisierung 1.1.5 Polymerasen, Nucleasen, Topoisomerasen DNA Polymerasen Replikationsenzyme; hochmolekulare Proteinkomplexe, die aus einer Vielzahl von Untereinheiten bestehen. (HENNIG, 1998) Nucleasen nucleolytische Enzyme, Phosphodiesterasen, Gruppe von Enzymen, durch die Internucleotidbindungen von Nucleinsäuren, Oligo und Polynucleotiden hydrolytisch gespalten werden. (HERDER VERLAG, 1983-92 und 1994/95) Topoisomerasen Enzyme, die vorhandenes Supercoiling (Abweichung vom normalen Windungszustand) aufheben oder induzieren können. (HENNIG, 1998) 1.2 Verpackung und Lokalisierung des genetischen Materials Schlagwörter 1.2.1 Arten primärer genetischer Informationsträger 1.2.2 Prokaryoten Chromosomen 1.2.3 Eukaryoten Chromosomen, Chromatin 1.3 Replikation des genetischen Materials Schlagwörter DNA Polymerasen, leading/lagging strand, Okazaki Fragmente, replication origin, Replicon, semikonservative Replikation, Telomer DNA replication origin origin of replication, Replikationsstartpunkt (HENNIG, 1998) Replikon von einem Replikationsstartpunkt in seinem Replikationsverhalten kontrolliertes DNA Segment (HENNIG, 1998) 1

2 KAPITEL 1. DAS GENETISCHE MATERIAL leading strand lagging strand 1.3.1 semikonservative Replikation notwendige Grundeigenschaft des Erbmaterials (HENNIG, 1998) identische Verdoppelung geht aus den MENDELschen Gesetzen hervor wird vom WATSON CRICK Modell der DNA Doppelhelix geleistet WATSON CRICK Modell der DNA Doppelhelix (HENNIG, 1998) WATSON, CRICK (1953) 1 DNA liegt als Doppelhelix vor genau festgelegte Möglichkeiten der Basenpaarung ermöglichen identische Synthese des zweiten Stranges, wenn die beiden Parentalstränge getrennt werden Verdoppelung der DNA (HENNIG, 1998) während der S Phase des Zellzyklus durch cytologische Befunde naheliegend durch Neusynthese jeweils eines neuen, komplementären Stranges an jedem der beiden vorhandenen Stränge der Doppelhelix semikonservative Replikation 1.3.1.1 Physikochemischer Nachweis der semikonservativen Replikation MESELSON, STAHL (1958) 2 Dichtegradienten Gleichgewichtszentrifugation 14 N, 15 N Schlüsse aus den Experimenten 3 1. The nitrogen of a DNA molecule is divided equally between two subunits which remain intact through many generations. 2. Following replication, each daughter molecule has received one parental subunit. 3. The replicative act results in a molecular doubling. 1.3.1.2 Cytologischer Nachweis der semikonservativen Replikation TAYLOR (1957) 4 durch Autoradiographie direkter Nachweis mit 3 H markierten Thymins in den Chromosomen Ergebnisse 1 Watson JD, Crick FHC (1953) Genetical implications of the structure of deoxyribonucleic acid. Nature 171: 964 967 2 Meselson M, Stahl FW (1958) The replication of DNA in Escherichia coli. Proc Natl Acad Sci USA 44: 671 682 3 Zitat aus: Meselson M, Stahl FW (1958), a.a.o. 4 Taylor JH, Woods PS, Hughes WL (1957) The organization and duplication of chromosomes as revealed by autoradiographic studies using tritium labeled thymidine. Proc Natl Acad Sci USA 43, 122 128

1.3. REPLIKATION DES GENETISCHEN MATERIALS 3 entsprechen im Wesentlichen den Ergebnissen der Versuche von MESELSON und STAHL einfach mit dem WATSON CRICK Modell erklärbar unter einer Annahme: jede Chromatide besteht aus einer einzigen DNA Doppelhelix nicht durch TAYLORS Experimente beweisbar, aber naheliegend durch weitere Experimente 5 unterstützt 1.3.2 Replikation bei Prokaryoten 1.3.2.1 Okazaki Cairns Modell 1.3.2.2 Rolling Circle 1.3.2.3 An der Replikation beteiligte Proteine (prokaryotische) DNA Polymerasen I, II, III Polymerase I II III Funktion Reparatur Reparatur Replikation Replikation Molmasse 109 kda 90 kda 900 kda Untereinheiten Monomer Monomer 16 Enzymmoleküle pro Zelle 400? 10 20 3 5 Exonuklease + + - 5 3 Exonuklease + - - 1.3.3 Replikation bei Eukaryoten 1.3.3.1 allgemeiner Ablauf 1.3.3.2 Replikation der Telomer DNA 1.3.3.3 An der Replikation beteiligte Proteine (eukaryotische) DNA Polymerasen α, β, γ, δ, ε Polymerase α β γ δ ε Funktionsort Kern Kern Mitochondrien Kern Kern Funktion Replikation Reparatur Replikation Replikation Reparatur Molmasse 300 kda 40 kda 180 300 kda 170 230 kda 250 kda Untereinheiten 4 Monomer 2 3 2 2 3 5 Exonuklease - - + + + Genauigkeit 100 500 1 20 1 Telomerase telomere terminal transferase (HENNIG, 1998); RNA abhängige DNA Polymerase, Revertase (BÖRNER, 2000); aus RNA und Proteinkomponenten bestehendes Enzym, das die Telomeren DNA repliziert (HENNIG, 1998) 1 27 5 Kavenoff R, Zimm BH (1973) Chromosome sized DNA molecules form the fruit fly Drosophila. Chromosoma 41:

Kapitel 2 Die Funktion des genetischen Materials 2.1 Transkription Schlagwörter 2.1.1 prinzipieller Ablauf 2.1.2 pro und eukaryotische RNA Polymerasen 2.1.3 Promoter und Terminationssignale bei Pro und Eukaryoten 2.1.4 Produkte der Transkription, RNA processing, splicing, editing 2.1.5 Zentrales Dogma, Umkehrtranskription 2.2 Genetischer Code Schlagwörter 2.2.1 Methoden zur Aufklärung 2.2.2 Eigenschaften des genetischen Codes 2.3 Translation Schlagwörter 2.3.1 beteiligte Komponenten 2.3.2 prinzipieller Ablauf 2.3.3 Aminoacetylierung der trna 2.3.4 Wobble Paarung Selenocystein 2.3.5 posttranslationale Veränderungen an Proteinen 2.3.6 Proteintransport 2.3.6.1 Cotranslationaler Transport cotranslationaler Transport Transport in das ER Unterschied zu anderen Proteintransporten 4

2.3. TRANSLATION 5 membrangebundene Ribosomen 2.3.6.2 Posttranslationaler Transport posttranslationaler Transport posttranslational targeting; Transport cytosol synthetisierter Proteine

Kapitel 3 Regulation der Realisierung der genetischen Information 3.1 Regulation bei Prokaryoten Schlagwörter Regulation, positive/negative Kontrolle, polycistronischer Messenger, Operon, Promoter, Operator, Repressor, Induktor, CAP, Regulon, Attenuation 3.1.1 Operonmodell Operon Einheit von gemeinsam regulierten Genen. Operonen sind identisch mit längeren DNA Abschnitten, die die regulatorisch wirksamen Elemente (Operator, Promoter, CAP Bindungsstelle, Terminator Bereiche u. a.) und ein, meist aber mehrere Strukturgene umfassen. (HERDER VER- LAG, 1983-92 und 1994/95) polycistronischer Messenger Promoter Bindungsplatz der DNA Polymerase (HENNIG, 1998) Repressor Protein, das durch reversible und hochspezifische Bindung an einen Operator dessen Aktivität selektiv blockiert. (HERDER VERLAG, 1983-92 und 1994/95) Operator Bindungsstelle des Repressors; reguliert die RNA Synthese durch Bindung des Repressors (HENNIG, 1998) Induktor Molekül, das durch Bindung an den Repressor diesen inaktiviert (HENNIG, 1998) CAP catabolite activator protein, camp receptor protein (CRP); zur Initiation der RNA Synthese am lac Operon notwendiges zusätzliches Regulationselement; bindet an den Promoter des Operons und stellt einen zusätzlichen positiven Regulationsmechanismus dar (HENNIG, 1998) 3.1.2 Regulon Regulon Einheit von Gegen, die zwar an verschiedenen Orten eines Genoms lokalisiert sind, deren Expression aber durch die gleichen Regulatorproteine gesteuert wird. (HERDER VERLAG, 1983-92 und 1994/95) 3.1.3 Attenuation 3.1.4 Signaltransduktion: Zwei Komponenten Systeme 3.2 Regulation bei Eukaryoten Schlagwörter 6

3.2. REGULATION BEI EUKARYOTEN 7 3.2.1 transkriptionsaktives und inaktives Chromatin 3.2.2 Signaltransduktion: Agonisten, Rezeptoren, sek. Messenger, Hormonwirkung 3.2.3 Transkriptionsfaktoren, Protein DNA Interaktion 3.2.4 posttranslationale Regulation 3.2.5 Differenzierung von Zellen und Geweben

Kapitel 4 Vom Gen zum Merkmal 4.1 Struktur von Genen Schlagwörter 4.1.1 Entwicklung des Genbegriffs 4.1.2 Gene bei Pro und Eukaryoten Schlagwörter Intron, Exon, überlappende Gene, Immunglobulingene Intron Bereich in der DNA oder im primären Transkript zwischen zwei Exons. Wird im allgemeinen nicht in ein Protein übersetzt. (HENNIG, 1998) Exon proteinkodierende DNa Sequenz eines Gens (HENNIG, 1998) überlappende Gene Proteinkodierende DNA Sequenzen können im Ausnahmefall auch überlappend angeordnet sein. Durch Verschiebung des Leserasters werden mehrere verschiedene Proteine im gleichen DNA Bereich kodiert. (HENNIG, 1998) 4.2 Wechselwirkungssysteme bei der Merkmalsbildung 4.2.1 Was sind Merkmale? Genotyp, Phänotyp 4.2.2 Allele eines Gens Schlagwörter Dominanz, Rezessivität, Homozygotie, Heterozygotie 4.2.3 Genwechselwirkung (Polygenie, Pleiotropie) 4.2.4 Genotyp Plasmotyp 4.2.5 Idiotyp Umwelt Schlagwörter Variation, Modifikation, umweltstabile und labile Merkmale, Vererbung von Intelligenz 8

Kapitel 5 Variation des genetischen Materials: Mutationen 5.1 Genmutationen 5.1.1 Punktmutationen Schlagwörter Basensubstitution, Rastermutation, nonsense, missensse, sense Mutationen 5.1.2 spontane und induzierte Mutationen, Mutagene (Mutagenwirkung) 5.1.3 Rückmutation und Suppression 5.2 Reparatur von DNA Schäden Schlagwörter 5.2.1 Photoreaktivierung 5.2.2 Excisionsreparatur 5.2.3 Postreplikationsreparatur Rekombinationsreparatur und beteiligte Gene bei E. coli 5.3 Chromosomenmutation Schlagwörter 5.3.1 Deletion, Duplikation, Inversion, Translokation 5.3.2 Beispiele, Bedeutung 5.3.3 Positionseffekte 5.4 Genommutation Schlagwörter 5.4.1 Euploidie, Polyploidie Euploidie 9

10 KAPITEL 5. VARIATION DES GENETISCHEN MATERIALS: MUTATIONEN 5.4.2 Aneuploidie Aneuploidie 5.4.3 Allo und Autoploidie Alloploidie Autoploidie

Kapitel 6 Variation des genetischen Materials: Rekombination 6.1 Repetition Mitose Meiose 6.1.1 Zellzyklus 6.1.2 Mitose Prophase Beginn der Kondensation des Chromatins (2 Schwesterchomatiden werden sichtbar) Nucleolus löst sich auf Beginn der Ausbildung der Mitosespindel außerhalb des Zellkerns Centriolen haben sich schon vor Beginn der S Phase zu teilen begonnen organisieren Teilungsspindel (Mitosespindel) cytoplasmatische Mikrotubuli (MT) des Cytoskeletts werden depolymerisiert Zelle rundet sich ab aus dem entstandenen Reservoir an Tubulinuntereinheiten Aufbau der MT der Spindel zunächst sternförmig um die Centriolen angeordnet Astral MT, Aster ein Centriolenpaar wandert auf die gegenüberliegende Seite des Zellkerns zwei Aster sichtbar Centriolen bilden nun die beiden Pole der Kernteilungsspindel Pol MT erstrecken sich von einem Pol bis über den Spindeläquator hinaus überlappen ein Stück weit mit den vom anderen Pol ausstrahlenden MT reife Kinetochoren (Proteinkomplexe, s. u.) bilden sich an der Centromerregion jeder Schwesterchromatide 11

12 KAPITEL 6. VARIATION DES GENETISCHEN MATERIALS: REKOMBINATION Prometaphase Auflösung der Kernhülle überreste unterscheiden sich morphologisch kaum vom ER Spindel dringt ins Nucleoplasma ein Ausbildung der Kinetochore Spindelmikrotubuli (Kinetochor Mikrotubuli) setzen an den Kinetochoren an stehen senkrecht zur Chromosomenachse parallel zu den Polfasern gleitende Bewegung zwischen den MT bewegt die Chromosomen Metaphase Chromosomen in der Metaphaseplatte angeordnet unter dem Einfluß der Kinetochor MT senkrecht zur Spindel angeordnet Zugkräfte zu beiden Polen gleich Anaphase plötzliche Trennung der Schwesterchromatiden hingen bisher noch an den Centromeren zusammen Verkürzung der Kinetochor Mikrotubuli Chromosomen werden zu den Spindelpolen gezogen Kinetochoren gehen voran ziehen die Arme der Chromosomen nach Bewegungsgeschwindigkeit ca. 1 µm pro min. Vergleich: ø Zellkern ca. 5 7 µm Pol MT Telophase werden länger gleiten aneinander vorbei Pole werden voneinander weggestoßen Tochterchromatiden an den Zellpolen angekommen Kinetochor Mikrotubuli werden zunehmend kürzer depolymerisieren Pol MT

6.1. REPETITION MITOSE MEIOSE 13 verlängern sich zunächst weiter Pole weichen noch weiter auseinander werden dann bis auf einen Rest abgebaut Bildung der Kernhüllen Chromatin dekondensiert Nucleoli bilden sich 6.1.3 Meiose besondere Reduktionsteilung dient der Erhaltung des artspezifischen Chromosomensatzes 6.1.3.1 Meiose I Besonderheiten der Prophase besonders langes Stadium Dauer Tage, Monate, bei Primaten Jahre besteht aus Leptotän, Zygotän, Pachytän, Diplotän und Diakinese Leptotän Chromosomen erstmals als als dünnfädige Strukturen sichtbar Replikation bereits erfolgt Chromatiden im LM noch nicht auflösbar Chromosomen mit Telomeren (Enden) an innere Kernmembran gebunden zeigen charakteristisches Chromomeren Muster Zygotän beginnt mit Einsetzen der Chromosomenpaarung Synapsis reißverschlußartig Synaptonemalkomplex bildet sich i. d. R. an den Enden der Chromosomen beide parallele Chromosomenachsen ca. 100 nm auseinander zentrales Element Bivalent zwischen den Chromosomen bisher Struktur und Zusammensetzung unklar Homologenpaar entsteht durch vollständige Paarung der Homologen nur Paarung homologer DNA Abschnitte Synapsis beruht letztendlich auf Sequenzhomologie der beiden DNA Moleküle

14 KAPITEL 6. VARIATION DES GENETISCHEN MATERIALS: REKOMBINATION Pachytän Synapsis abgeschlossen vier Chromatiden erscheinen eng gepaart genetische Rekombination Crossing Over, crossing over Brechen homologer Chromosomen Nicht Schwesterchromatiden können über Kreuz wieder verknüpft werden Rekombinationsnodule lichtmikroskopisch erkennbar innerhalb des Synaptonemalkomplexes Auftreten korreliert mit Crossing over Anzahl und Verteilung stimmt mit derjenigen der Rekombinationsergebnisse überein Diplotän homologe Chromosomen beginnen sich wieder zu trennen an den Chiasmata noch zusammengehalten Chiasma überkreuzungsstelle Ort des Crossing Over bei vielen Tieren jetzt vier Chromatiden erkennbar bilden eine Achse nach beiden Seiten ausgehende Schleifen Lampenbürstenchromosom jede Schleife in vier Kopien Orte intensiver RNA Synthese bestehen aus DNA Faser als Achse DNA mit Transkriptionsprodukten dicht bepackt Transkriptionseinheiten entsprechen aktiven Genen geht allmählich in Diakinese über Diakinese RNA Synthese hört auf Chromosomen beginnen sich zu kondensieren Chiasma und (vier) Chromatiden deutlich sichtbar

6.1. REPETITION MITOSE MEIOSE 15 Metaphase Bivalente ordnen sich in der äquatorialebene Kinetochoren nur auf einer Seite der Schwesterchromatiden gebildet Kinetochorfasern richten sich nur gegen einen Spindelpol Centromeren der Bivalente noch ungeteilt Anaphase Centromeren der Bivalente teilen sich von jedem Schwesterchromosom je zwei Chromatiden zu unterschiedlichen Polen gezogen wichtiger Unterschied zur Mitose (Kap. 6.1.2, S. 11) Kinetochoren beidseitig ausgebildet Schwestercentromere trennen sich je ein Chromatid wandert zu den Polen Telophase vgl. Mitose: Kap. 6.1.2, S. 11 Ausbildung der Kernmembranen Cytokinese 6.1.3.2 Meiose II unterscheidet sich im Mechanismus nur wenig von normaler Mitose in der kurzen Interphase keine DNA Synthese Prophase Chromosomen aus zwei Chromatiden Chromosomen aus zwei Chromatiden hängen am Centromer zusammen Metaphase Kinetochoren Anaphase bilden sich auf beiden Seiten des Centromers wie bei der Mitose Anatzstellen der Kinetochorfasern Centromeren trennen sich Chromatiden werden in entgegengesetzter Richtung zu den Polen gezogen Resultat vier haploide Zellen differenzieren sich zu Geschlechtszellen

16 KAPITEL 6. VARIATION DES GENETISCHEN MATERIALS: REKOMBINATION 6.1.3.3 Zusammenfassung: Hauptereignisse der Meiose (HENNIG, 1998) Meiose I Chromosomenkondensation Paarung der Homologen Rekombination (Crossing over) und Bildung von Chiasmata Trennung der Homologen und Verteilung auf zwei Tochterkerne Meiose II Trennung der Chromatiden 6.1.4 Meioseeffekte Rekombination (Crossing over) 6.2 Interchromosomale Rekombination, Mendelsche Gesetze 1. MENDELsche Regel Nachkommen reziproker Kreuzungen reiner Linien besitzen einen einheitlichen Phänotyp. (HENNIG, 1998) 2. MENDELsche Regel Kreuzungen der heterozygoten Nachkommen (F 1 ) zweier reinrassiger Elternlinien untereinander führen zur Aufspaltung der Phänotypen nach bestimmten Zahlenverhältnissen. (HENNIG, 1998) 3. MENDELsche Regel Allele verteilen sich im Prinzip unabhängig voneinander und unabhängig von den Allelen anderer Gene auf die Nachkommen. (HENNIG, 1998) unvollständige Dominanz Bildung eines neuen Phänotyps bei Heterozygotie, der als Mischung der Eigenschaften beider Allele angesehen werden kann. Früher als intermediär bezeichnet. (HENNIG, 1998) Codominanz Zwei Allele prägen ihren jeweiligen Charakter nebeneinander im Phänotyp aus. (HENNIG, 1998) Polygenie Mehrere Gene wirken auf ein Merkmal ein. Kann für viele Merkmale als Regelfall angesehen werden. (HENNIG, 1998) Pleiotropie Einfluß eines Gens auf mehrere Merkmale (HENNIG, 1998) 6.2.1 monohybrider Erbgang, dominant und intermediär 6.2.2 dihybrider Erbgang 6.2.3 trihybrider Erbgang und allgemeine Gesetzmäßigkeiten 6.2.4 Geltungsbereich der Mendelschen Gesetze 6.2.5 Erbgang bei Haploiden 6.2.6 Rückkreuzung 6.2.7 Geschlechtsgebundene (X chromosomale) Vererbung 6.2.8 Chromosomentheorie der Vererbung Literatur (HENNIG, 1998, Kap. 3)

6.3. INTRACHROMOSOMALE REKOMBINATION 17 6.3 Intrachromosomale Rekombination 6.3.1 Crossing over, Chiasmata Crossing over Genetischer Austausch zwischen (homologen) Chromosomen (HENNIG, 1998) Chiasmata Chromosomenkonstitution in der meiotischen Prophase I als Folge eines Crossing over (HENNIG, 1998) 6.3.2 Faktorenkopplung, Faktorenaustausch 6.3.3 Rekombinationshäufigkeit Chromosomenkarten 6.3.4 Tetradenanalyse, Präreduktion, Postreduktion Tetradenanalyse Analyse aller haploiden Meioseprodukte. Macht in einigen Organismen die direkte Sichtbarmachung von Rekombinationsereignissen möglich. Kann auch zur Kartierung von Merkmalen verwendet werden. (HENNIG, 1998) Präreduktion Reduktion der Chromosomenzahl während der Meiose, wenn die Trennung homologer Chromosomenabschnitte ursprünglich väterlicher und mütterlicher Chromosomen schon in der Anaphase I erfolgt. (HERDER VERLAG, 1983-92 und 1994/95) Postreduktion Trennung homologer Chromosomenabschnitte erst in der Anaphase II der Meiose. (HERDER VERLAG, 1983-92 und 1994/95) 6.3.5 Genkonversion 6.4 Intragene Rekombination 6.4.1 Genkarten 6.4.2 Allelietest, cis trans Test

Kapitel 7 Variation des genetischen Materials: Rekombination in Verbindung mit parasexuellen Prozessen 7.1 Parasexuelle Prozesse bei Eukaryoten 7.1.1 mitotisches crossing over 7.1.2 Pilze 7.1.3 somatische Hybride 7.2 Parasexuelle Prozesse bei Bakterien 7.2.1 Transformation 7.2.2 Konjugation, Chromosomenkarten 7.2.3 allgemeine und spezielle Transduktion 7.2.4 homologe (allgemeine) Rekombination, ortsspezifische Rekombination 18

Kapitel 8 Variation des genetischen Materials: Transponierbare Elemente 8.1 Bakterien: Insertionssequenzen, Transposons, Phage Mu 8.2 Transponierbare Elemente bei Eukaryoten 19

Kapitel 9 Variation des genetischen Materials: Rekombinante DNA Gentechnik Literatur 20

Literaturverzeichnis BÖRNER, T. (2000): VL Grundlagen der Genetik und Molekularbiologie, SS 2000 HENNIG, W. (1998): Genetik (Springer), 2. Aufl. HERDER VERLAG, Hg. (1983-92 und 1994/95): Lexikon der Biologie (Herder und Spektrum Akad. Verl.)

22 LITERATURVERZEICHNIS

Index überlappende Gene, 8 Basensubstitution, 9 CAP, 6 Codominanz, 15 DNA WATSON CRICK Modell, 2 DNA Polymerasen, 1 Dominanz, 8 Exon, 8, 8 Heterozygotie, 8 Homozygotie, 8 Repressor, 6 Rezessivität, 8 STAHL, 2 TAYLOR, 2 Telomerase, 3 Topoisomerasen, 1 überlappende Gene, 8 unvollständige Dominanz, 15 Variation, 8 Vererbung von Intelligenz, 8 Immunglobulingene, 8 Induktor, 6 Intelligenz Vererbung von, 8 Intron, 8, 8 lagging strand, 2 leading strand, 2 Merkmale umweltlabile, 8 umweltstabile, 8 MESELSON, 2 Modifikation, 8 Mutation Basensubstitution, 9 missense, 9 nonsense, 9 Raster, 9 sense, 9 Nucleasen, 1 Operator, 6 Operon, 6 Pleiotropie, 15 polycistronischer Messenger, 6 Polygenie, 15 posttranslationaler Transport, 5 Promoter, 6 Rastermutation, 9 Regulon, 6 replication origin, 1 Replikon, 1 23